計算機圖形學

1963年1月，MIT林肯實驗室24歲的薩瑟蘭完成了關於人機通信的圖形系統的博士論文。薩瑟蘭引入了分層存儲符號的數據結構，開發了交互技術，可以用鍵盤和光筆實現定位、選項和繪圖，還提出了至今仍在沿用的許多圖形學的其他基本思想和技術。

薩瑟蘭的博士論文被認為既是計算機圖形學的奠基，也是現代計算機輔助設計之肇始。

20世紀70年代，由於光柵顯示器的誕生，光柵圖形學算法迅速發展起來；基本圖形操作和相應的算法紛紛出現，圖形學進入了第一個興盛時期。70年代，很多國家應用計算機圖形學，開發CAD圖形系統，並應用於設計、過程控制和管理、教育等方面。

80年代中期以來，大規模集成電路使計算機硬件性能提高，圖形學得到飛速的發展。1980年，第一次給出了光線跟蹤算法。真實感圖形的算法逐漸成熟。

80一90年代，圖形學更加廣泛地應用於動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、虛擬現實等領域。這向計算機圖形學提出了更高、更新的要求——真實性和實時性。 ^[1] 

進入千禧年後，CGI 技術的發展仍然非常快，其中不乏圖形處理單元的持續增長和日益成熟帶來的推動力——到了此時，3D 圖形 GPU、3D 渲染功能已成為台式計算機的標準配置。CGI 開始變得無處不在——CGI 電影激增，諸如冰河世紀和馬達加斯加等傳統動畫動畫片電影以及諸如《海底總動員》等眾多皮克斯產品在該領域的票房中佔據主導地位；在視頻遊戲中，索尼 PlayStation 2 和 3，Microsoft Xbox 系列遊戲機以及 Nintendo 的產品（例如 GameCube）和 Windows PC 都吸引了大量的追隨者，諸如超級俠盜獵車手，刺客信條，最終幻想，生化奇兵，王國之心，鏡之邊緣。CGI 在這兩個領域的成功發展將計算機圖形學的影響力傳播到了主流領域，並逐漸引入其他領域，比如電視廣告。

到了 2010 年後，CGI 在視頻中幾乎無處不在，預渲染的圖形在科學上幾乎是真實照片級的。這時期的工作主要集中在集成更復雜的多階段的圖像生成。紋理映射也已經發展為一個複雜的多階段過程，使用着色器（shader）將紋理渲染、反射技術等多種算法集成到一個渲染引擎中的操作並不少見。 ^[5] 

計算機圖形學的核心目標在於創建有效的視覺交流。在科學領域，圖形學可以將科學成果通過可視化的方式展示給公眾；在娛樂領域，如在PC遊戲、手機遊戲、3D電影與電影特效中，計算機圖形學發揮着越來越重要的作用；在創意或藝術創作、商業廣告、產品設計等行業，圖形學也起着重要的基礎作用。而在科學領域中，這一點是在1987年關於科學計算可視報告中才被重點提出。該報告引用了Richard Hamming在1962年的經典論斷：“計算的目的是洞察事物的本質，而不是獲得數字。”報告中提到了計算機圖形學在幫助人腦從圖形圖像的角度理解事物本質的重要作用，因為圖形圖像比單純數字具有更強的洞察力。 ^[2] 

計算機圖形學核心目標(視覺交流)可以分解為三個基本任務：表示、交互、繪製，即如何在計算機中“交互”地“表示”、“繪製”出豐富多彩的主、客觀世界。這裏的“表示”是如何將主、客觀世界放到計算機中去——二維、三維對象的表示與建模；而“繪製”是指如何將計算機中的對象用一種直觀形象的圖形圖像方式表現出來——二維、三維對象的繪製：“交互”是指通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現“表示”與“繪製”的技術。其中，“表示”是計算機圖形學的“數據層”，是物體或對象在計算機中的各種幾何表示；“繪製”是計算機圖形學的“視圖層”，指將圖形學的數據顯示、展現出來。“表示”是建模、輸入，“繪製”是顯示、輸出。“交互”是計算機圖形學的“控制層”，它負責完成有效的對象輸入與輸出任務，解決與用户的交互問題。 ^[2] 

計算機圖形學的主要研究對象是點、線、面、體、場的數學構造方法及其圖形顯示，及其隨時間變化的情況。它需要研究以下幾方面的內容。

(1)描述複雜物體圖形的方法與數學算法。二三維景物的表示是計算機圖形顯示的前提和基礎，包括曲線、曲面的造型技術，實體造型技術，以及紋理、雲彩、波浪等自然景物的造型和模擬；三維場景的顯示包括光柵圖形生成算法、線框圖形以及真實感圖形的理論和算法。

(2)物體圖形描述數據的輸入。

(3)幾何和圖形數據的存儲，包括數據壓縮和解縮。

(4)物體圖形數據的運算處理，包括基於圖像和圖形的混合繪製技術、自然景物仿真、圖形用户接口、虛擬現實、動畫技術和可視化技術等。

(5)物體圖形數據的輸出顯示，包括圖形硬件和圖形交互技術等。

(6)實時動畫和多媒體技術，研究實現高速動畫的各種硬/軟件方法、開發工具、動畫語言以及多媒體技術。

(7)制定與圖形應用軟件有關的技術標準。 ^[3] 

隨着計算機圖形學不斷髮展，它的應用範圍也日趨廣泛。目前計算機圖形學的主要應用領域如下。

1．計算機輔助設計與製造(CAD/CAM)

這是計算機圖形學最廣泛、最重要的應用領域。它使工程設計的方法發生了巨大的改變，利用交互式計算機圖形生成技術進行土建工程、機械結構和產品的設計正在迅速取代繪圖板加工字尺的傳統手工設計方法，擔負起繁重的日常出圖任務以及總體方案的優化和細節設計工作。事實上，一個複雜的大規模或超大規模集成電路板圖根本不可能手工設計和繪製，用計算機圖形系統不僅能設計和畫圖，而且可以在較短的時間內完成，將結果直接送至後續工藝進行加工處理。

2．計算機輔助教學(CAI)

在這個領域中，圖形是一個重要的表達手段，它可以使教學過程形象、直觀、生動，激發學生的學習興趣，極大地提高了教學效果。隨着微機的不斷普及，計算機輔助教學系統已深入到家庭。

3．計算機動畫

傳統的動畫片都是手工繪製的。由於動畫放映一秒鐘需要24幅畫面，故手工繪製的工作量相當大。而通過計算機制作動畫，只需生成幾幅被稱作“關鍵幀”的畫面，然後由計算機對兩幅關鍵幀進行插值生成若干“中間幀”，連續播放時兩個關鍵幀被有機地結合起來。這樣可以大大節省時間，提高動畫製作的效率。

4．管理和辦公自動化

計算機圖形學在管理和辦公自動化領域中應用最多的是繪製各種圖形，如統計數據的二維和三維圖形、餅圖、折線圖、直分圖等，還可繪製工作進程圖、生產調度圖、庫存圖等。所有這些圖形均以簡明形式呈現出數據的模型和趨勢，加快了決策的制定和執行。

5．國土信息和自然資源顯示與繪製

國土信息和自然資源系統將過去分散的表冊、照片、圖紙等資料整理成統一的數據庫，記錄全國的大地和重力測量數據、高山和平原地形、河流和湖泊水系、道路橋樑、城鎮鄉村、農田林地植被、國界和地區界以及地名等。利用這些存儲的信息不僅可以繪製平面地圖，而且可以生成三維地形地貌圖，為高層次的國土整治預測和決策、綜合治理和資源開發研究提供科學依據。

6．科學計算可視化

在信息時代，大量數據需要處理。科學計算可視化是利用計算機圖形學方法將科學計算的中間或最後結果以及通過測量得到的數據以圖形形式直觀地表示出來。科學計算可視化廣泛應用於氣象、地震、天體物理、分子生物學、醫學等諸多領域。

7．計算機遊戲

計算機遊戲目前已成為促進計算機圖形學研究特別是圖形硬件發展的一大動力源泉。計算機圖形學為計算機遊戲開發提供了技術支持，如三維引擎的創建。建模和渲染這兩大圖形學主要問題在遊戲開發中的地位十分重要。

8．虛擬現實

虛擬現實技術的應用非常廣泛，可以應用於軍事、醫學、教育和娛樂等領域。虛擬現實是要使人們通過帶上具有立體感覺的眼睛、頭盔或數據手套，通過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及形體或手勢，整個融進計算機所創造的虛擬氛圍中，從而取得身臨其境的體驗。例如走進分子結構的微觀世界裏獵奇，在新設計的建築大廈圖形裏漫遊等。這也成為近年計算機圖形學的研究熱點之一。 ^[4]